考慮鉆頭指標(biāo)修正的鉆頭評(píng)價(jià)優(yōu)選技術(shù)

王越之

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

曹光福，陳松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000)

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考慮鉆頭指標(biāo)修正的鉆頭評(píng)價(jià)優(yōu)選技術(shù)

王越之

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

曹光福，陳松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆頭是破碎巖石的工具，直接影響鉆井的經(jīng)濟(jì)效益和鉆井成敗。首先對(duì)國內(nèi)外鉆頭優(yōu)選的兩種方法進(jìn)行了介紹與評(píng)價(jià)，針對(duì)運(yùn)用鉆頭使用參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析優(yōu)選鉆頭存在規(guī)律性不強(qiáng)、優(yōu)選難度大的問題，提出了對(duì)鉆頭使用參數(shù)按照鉆頭新舊程度系數(shù)進(jìn)行預(yù)處理的思想，給出了利用IADC鉆頭磨損分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處理的詳細(xì)方法和計(jì)算公式。將該預(yù)處理方法運(yùn)用到目前常用的兩種鉆頭統(tǒng)計(jì)方法(鉆頭比能法和鉆頭使用效果圖形優(yōu)選法)中，并對(duì)沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和進(jìn)行預(yù)處理的兩種結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)選鉆頭應(yīng)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以保證鉆頭使用新舊程度相同。運(yùn)用預(yù)處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，評(píng)價(jià)更科學(xué)和容易，結(jié)果也更集中。

鉆頭；鉆頭優(yōu)選；鉆頭參數(shù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理

1 問題的提出

鉆頭是鉆井工程的重要工具，決定著鉆井速度的快慢，井眼軌跡的控制，井身質(zhì)量的優(yōu)劣，甚至直接影響鉆井的經(jīng)濟(jì)效益和鉆井的成敗。因此，鉆頭類型的優(yōu)選和鉆頭使用參數(shù)優(yōu)化一直是現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員極為重視的技術(shù)，同時(shí)也是鉆井科研工作者不斷探索，以求很好解決的問題。由于鉆頭使用的好壞，受鉆井地層和鉆頭兩個(gè)方面的影響，仍是一個(gè)沒有很好解決而又迫切需要解決的難題。

國內(nèi)外鉆頭優(yōu)選方法綜合起來主要有2大類[1]：

一類是根據(jù)所鉆地層的特性入手，通過室內(nèi)巖心進(jìn)行可鉆性試驗(yàn)確定所鉆地層的可鉆性級(jí)值，建立可鉆性級(jí)值與測(cè)井聲波時(shí)差之間的函數(shù)關(guān)系，利用測(cè)井資料建立所鉆地層縱向上的連續(xù)可鉆性數(shù)據(jù)，據(jù)此選擇鉆頭類型。該方法由于所選擇的巖心數(shù)量有限，且?guī)r心的不均質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果離散，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)代表性不夠。同時(shí)巖石可鉆性不只與測(cè)井聲波特性有關(guān)，運(yùn)用聲波時(shí)差建立的可鉆性剖面誤差較大。

另一類就是運(yùn)用已鉆鉆頭的數(shù)據(jù)，按井徑分層位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)分析的方法有關(guān)聯(lián)分析法、聚類分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法[2]。

目標(biāo)函數(shù)有每米成本法、比能法等。這類方法需要大量的數(shù)據(jù)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)同一種鉆頭型號(hào)既是最優(yōu)鉆頭又是最差的鉆頭，或者運(yùn)用不同方法得出不同結(jié)果的問題。

通過大量的分析計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析方法出現(xiàn)篩選的鉆頭相互矛盾的原因之一是已鉆鉆頭數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行預(yù)處理，普遍認(rèn)為每只鉆頭使用后的新舊程度相同，而實(shí)際上由于施工的需要，如鉆到目標(biāo)層需要起鉆，鉆井復(fù)雜情況需要起鉆等使得同種鉆頭起出的新度不同，如果不考慮鉆頭的新舊程度就會(huì)誤導(dǎo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。筆者針對(duì)這一問題，對(duì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的鉆頭數(shù)據(jù)先進(jìn)行新舊程度的預(yù)處理，通過預(yù)處理的數(shù)據(jù)再參與計(jì)算分析，旨在解決統(tǒng)計(jì)的不確定性。

2 鉆頭新舊程度的預(yù)處理方法

按照三大石油公司對(duì)鉆井井史的要求，井隊(duì)技術(shù)員對(duì)起出的每一只舊鉆頭都要進(jìn)行描述并記錄。描述與記錄的依據(jù)就是IADC鉆頭磨損分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，起出鉆頭的描述由8個(gè)部分組成，分別為內(nèi)排齒+外排齒+鈍化特征+鈍化位置+軸承密封+直徑變化+其他鈍化特征+起出原因。

在這8個(gè)部分中有的是用0～8的數(shù)值表示，有些是用字母表示，通過字母可以判斷鉆頭的情況，如果已經(jīng)損壞，不能再使用，通過字母可以判斷。比如：鉆頭泥包、牙輪裂紋、頓鉆和溜鉆等非正常使用的鉆頭，這些鉆頭就不應(yīng)該參與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)應(yīng)該剔除。對(duì)正常使用鉆頭中磨損分級(jí)用數(shù)值表示：0表示為未磨損的新鉆頭；8表示已經(jīng)完全磨損，使用程度為100%。分析時(shí)應(yīng)該選出這些數(shù)值最大的一個(gè)，按照如下公式計(jì)算描述鉆頭的新舊程度系數(shù)K：

(1)

式中：K為新舊程度系數(shù)，無量綱；m為該鉆頭磨損分級(jí)中最大的數(shù)值，無量綱。

考慮鉆頭新舊程度就是要對(duì)評(píng)價(jià)鉆頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理數(shù)據(jù)的原則是：通過鉆頭新舊程度系數(shù)K將鉆頭的使用參數(shù)都轉(zhuǎn)化成鉆頭相同的新舊程度，一般轉(zhuǎn)化為鉆頭使用程度為100%的情況。例如：機(jī)械鉆速就需要乘以K，鉆頭總進(jìn)尺和鉆頭純鉆進(jìn)時(shí)間都需要除以K。通過鉆頭參數(shù)計(jì)算的參數(shù)就不用再進(jìn)行修正，如比能值。

3 鉆頭使用效果評(píng)價(jià)優(yōu)選方法

3.1 比能法

3.1.1 原理與方法

比能是 1964 年由R.Teale 提出在巖石鉆進(jìn)中的概念[4]，即鉆開單位體積巖石所做的功。由鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石所需的機(jī)械能。其計(jì)算公式為：

(2)

式中：SE為比能，MJ/m3；W為鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；N為轉(zhuǎn)速，r/min；Tb為鉆頭扭矩，kN·m；R為機(jī)械鉆速，m/h。

文獻(xiàn)[5]指出，可以采用簡(jiǎn)化的比能計(jì)算式計(jì)算比能，公式為：

(3)

考慮鉆頭新舊程度系數(shù)的比能計(jì)算，就是將機(jī)械鉆速R乘以K后進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2 新舊比能法實(shí)例計(jì)算比較

選用在新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)幾口鄰井直徑為311.2mm井段使用的鉆頭用比能進(jìn)行評(píng)價(jià)，鉆頭新舊程度系數(shù)需要查看井史中鉆頭起出分析內(nèi)容，對(duì)每只鉆頭確定新舊程度系數(shù)，同時(shí)對(duì)非正常損壞的鉆頭數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

由表1可知，在鉆進(jìn)直徑為311.2mm井眼時(shí)，運(yùn)用舊比能法對(duì)鉆頭進(jìn)行評(píng)判，同種型號(hào)鉆頭的比能值有大有小，沒有規(guī)律，選擇困難?？紤]鉆頭新舊程度系數(shù)，去掉非正常損壞鉆頭數(shù)據(jù)，計(jì)算的鉆頭比能值相對(duì)要集中一些，便于優(yōu)選。則鉆頭使用效果由好到差的順序?yàn)镻DC鉆頭選FS2463Z，牙輪鉆頭選HAT127X、HAT127和HJT517。

3.2 鉆頭使用效果圖形優(yōu)選鉆頭

鉆頭使用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)有純鉆時(shí)間、機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺等，這3個(gè)參數(shù)相互制約，因此實(shí)質(zhì)上鉆頭使用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)只有2個(gè)，筆者選取機(jī)械鉆速與鉆頭純鉆時(shí)間為參考指標(biāo)。

1)對(duì)一個(gè)區(qū)塊地層進(jìn)行地層巖性與可鉆性分析，按地層巖性、可鉆性、相似性將一口井分為若干段。

2)對(duì)每個(gè)井段分別做一張以純鉆時(shí)間為X軸、機(jī)械鉆速為Y軸的鉆頭使用效果圖。做圖方法是先將一口井鉆頭的機(jī)械鉆速與純鉆時(shí)間參數(shù)按每個(gè)井段在電子表格中分別創(chuàng)建一個(gè)工作表。對(duì)每個(gè)工作表按鉆頭型號(hào)進(jìn)行排序，做出機(jī)械鉆速與純鉆時(shí)間的散點(diǎn)圖。這個(gè)圖可以比較不同鉆頭使用的總體情況，如果在圖的右上部分有一個(gè)型號(hào)的鉆頭分布較多，則說明該鉆頭有較好的使用效果，可考慮加入鉆頭推薦序列。

3)如果一只鉆頭穿過幾個(gè)層段，在每一段做圖時(shí)機(jī)械鉆速只取該段內(nèi)的機(jī)械鉆速和純鉆時(shí)間的平均值。

按照上述方法，將表1的數(shù)據(jù)中預(yù)處理前的機(jī)械鉆速與純鉆時(shí)間做圖，如圖1所示；機(jī)械鉆速進(jìn)行預(yù)處理后機(jī)械鉆速與純鉆時(shí)間關(guān)系圖，如圖2所示。

表1 新疆南緣地區(qū)?311.2mm鉆頭比能計(jì)算比較

圖1 原始數(shù)據(jù)鉆頭效果評(píng)選結(jié)果

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理后鉆頭效果評(píng)選結(jié)果

圖中粗實(shí)線為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值，粗實(shí)線將數(shù)據(jù)區(qū)域分成4部分，右上角的鉆頭數(shù)據(jù)為2個(gè)指標(biāo)均超過平均值的鉆頭，優(yōu)選的鉆頭型號(hào)應(yīng)在此區(qū)域。從圖1可以看出，沒有進(jìn)行預(yù)處理的鉆頭數(shù)據(jù)，在圖1右上角的機(jī)械鉆速高、純鉆時(shí)間長的鉆頭型號(hào)不集中，不容易判斷。而圖2是運(yùn)用筆者方法對(duì)鉆頭數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后的評(píng)選結(jié)果圖，在圖2右上角的型號(hào)比較集中，容易優(yōu)選，且選取結(jié)果與3.1結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1)根據(jù)實(shí)鉆鉆頭使用參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析優(yōu)選鉆頭的方法，應(yīng)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以保證鉆頭使用新舊程度相同。

2)對(duì)鉆頭使用參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)采用常用統(tǒng)計(jì)分析方法優(yōu)選鉆頭，該評(píng)價(jià)方法更科學(xué)、更容易，結(jié)果也更集中。

[1]張輝，高德利. 鉆頭選型方法綜述[J].石油鉆采工藝，2005，27(4)：1～5.

[2]路小帥，王越之，雷滿，等.利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)鉆頭進(jìn)行優(yōu)選及評(píng)價(jià)[J].斷塊油氣田，2007，14(6)：63～65.

[3]SY/T 5415—2003，鉆頭使用基本規(guī)則和磨損評(píng)價(jià)方法[S].

[4]Teale R. The concept of specific energy in rock drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1965，2(1)：57～73 .

[5]景寧，樊洪海，翟應(yīng)虎，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法[J].斷塊油氣田，2011,18(4)：538～540.

[編輯] 帥群

2016-06-02

國家自然科學(xué)基金(51174036)。

王越之(1964-)，男，博士，教授，主要從事鉆井工程的教學(xué)與科研工作，cjdxwyz@126.com。

TE921;TE24

A

1673-1409(2016)32-0082-04

[引著格式]王越之，曹光福，陳松平，等.考慮鉆頭指標(biāo)修正的鉆頭評(píng)價(jià)優(yōu)選技術(shù)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(32):82～85.